Типы реакций по механизму. Классификация реакций в органической химии. Механизмы реакций. Реакции изомеризации и перегруппировка

Механизмы органических реакций

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Механизмы органических реакций
Рубрика (тематическая категория)	Образование

Классификация реакций

Существуют четыре основные типа реакций, в которых участвуют органические соединения: замещение (вытеснение), присоединение, элиминирование (отщепления), перегруппировки.

3.1 Реакции замещения

В реакциях первого типа замещение обычно происходит у атома углерода, но замещенный атом должна быть атомом водорода или каким-либо другим атомом или группой атомов. При электрофильном замещении чаще всего замещается атом водорода; примером служит классическое ароматическое замещение:

При нуклеофильном замещении чаще замещается не атом водорода, а другие атомы, к примеру:

NC - + R−Br → NC−R +BR -

3.2 Реакции присоединения

Реакции присоединения также бывают электрофильными, нуклеофильными или радикальными исходя из типа частиц, инициирующих процесс. Присоединение к обычным двойным углерод-углеродным связям индуцируется, как правило, электрофилом или радикалом. К примеру, присоединение HBr

может начинаться с атаки двойной связи протоном Н + или радикалом Br·.

3.3 Реакции элиминирования

Реакции элиминирования по существу обратны реакциям присоединения; наиболее обычный тип такой реакции – отщепление атома водорода и другого атома или группы от соседних атомов углерода с образованием алкенов:

3.4 Реакции перегруппировки

Перегруппировки также могут протекать через промежуточные соединения, представляющие собой катионы, анионы или радикалы; чаще всего эти реакции идут с образованием карбокатионов или других электронодефицитных частиц. Перегруппировки могут включать существенную перестройку углеродного скелета. За стадией собственно перегруппировки в таких реакциях часто следуют стадии замещения, присоединения или отщепления, приводящие к образованию стабильного конечного продукта.

Детальное описание химической реакции по стадиям принято называть механизмом. С электронной точки зрения под механизмом химической реакции понимают способ разрыва ковалентных связей в молекулах и последовательность состояний, через которые проходят реагирующие вещества до превращения в продукты реакций.

4.1 Свободно-радикальные реакции

Свободно-радикальные реакции - ϶ᴛᴏ химические процессы, в которых принимают участие молекулы, имеющие неспаренные электроны. Определенные аспекты реакций свободных радикалов являются уникальными в сравнении с другими типами реакций. Основное различие состоит в том, что многие свободно-радикальные реакции являются цепными. Это означает существование механизма, благодаря которому множество молекул превращается в продукт с помощью повторяющегося процесса, инициируемого созданием одной реакционноспособной частицы. Типичный пример иллюстрируется с помощью следующего гипотетического механизма:

Стадию, на которой генерируется реакционный интермедиат, в данном случае А·, принято называть инициированием. Эта стадия протекает при высокой температуре, под действием УФ или пероксидов, в неполярных растворителях. В следующих четырех уравнениях данного примера повторяется последовательность двух реакций; они представляют фазу развития цепи. Цепные реакции характеризуются длиной цепи, которая соответствует числу стадий развития, приходящихся на одну стадию инициирования. Вторая стадия протекает одновременным синтезом соединения и образования нового радикала, который продолжает цепь превращений. Последней стадией является стадией обрыва цепи, которая включает любую реакцию, в которой разрушается один из реакционных интермедиатов, необходимых для развития цепи. Чем больше стадий обрыва цепи, тем меньшей становится длина цепи.

Свободно-радикальные реакции протекают: 1)на свету, при высокой температуре или в присутствии радикалов, которые образуются при разложении других веществ; 2)тормозятся веществами, легко реагирующими со свободными радикалами; 3)протекают в неполярных растворителях или в паровой фазе; 4)часто имеют автокаталитический и индукционный период перед началом реакции; 5)в кинетическом отношении являются цепными.

Реакции радикального замещения характерны для алканов, а радикального присоединения – для алкенов и алкинов.

СН 4 + Сl 2 → CH 3 Cl + HCl

CH 3 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br

CH 3 -C≡CH + HCl → CH 3 -CH=CHCl

Соединение свободных радикалов между собой и обрыв цепи происходит в основном на стенках реактора.

4.2 Ионные реакции

Реакции, в которых происходит гетеролитический разрыв связей и образуются промежуточные частицы ионного типа, называются ионными реакциями.

Ионные реакции протекают: 1)в присутствии катализаторов (кислот или оснований и не подвержены влиянию света или свободных радикалов, в частности, возникающих при разложении пероксидов); 2)не подвергаются влиянию акцепторов свободных радикалов; 3)на ход реакции оказывает влияние природа растворителя; 4)редко протекают в паровой фазе; 5)кинетически являются, в основном, реакциями первого или второго порядка.

По характеру реагента͵ действующего на молекулу, ионные реакции делятся на электрофильные и нуклеофильные . Реакции нуклеофильного замещения характерны для алкил- и арилгалогенидов,

CH 3 Cl + H 2 O → CH 3 OH + HCl

C 6 H 5 -Cl + H 2 O → C 6 H 5 -OH + HCl

C 2 H 5 OH + HCl → C 2 H 5 Cl + H 2 O

C 2 H 5 NH 2 + CH 3 Cl → CH 3 -NH-C 2 H 5 + HCl

электрофильного замещения – для алканов в присутствии катализаторов

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

и аренов.

C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

Реакции электрофильного присоединения характерны для алкенов

CH 3 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br

и алкинов,

CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl

нуклеофильного присоединения – для алкинов.

CH 3 -C≡CH + C 2 H 5 OH + NaOH → CH 3 -C(OC 2 H 5)=CH 2

Механизмы органических реакций - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Механизмы органических реакций" 2017, 2018.

Типы химических реакций в неорганической и органической химии.

1. Химическая реакция – это процесс, при котором из одних веществ образуются другие вещества. В зависимости от характера процесса выделяют типы химических реакций.

1)По конечному результату

2) По признаку выделения или поглащения теплоты

3)По признаку обратимости реакции

4) По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ

По конечному результату реакции бывают следующих типов:

А) Замещение: RH+Cl 2 →RCl+HCl

Б) Присоединение: СН 2 =СН 2 +Cl 2 →CH 2 Cl-CH 2 Cl

В) Отщепление: СН 3 -СН 2 ОН→ СН 2 =СН 2 +Н 2 О

Г) Разложение: СН 4 →С+2Н 2

Д) Изомеризация

Е) Обмена

Ж) Соединения

Реакцией разложения называют процесс, при котором из одного вещества образуются два или несколько других.

Реакциейобмена называют процесс, при котором реагирующие вещества обменивабтся составными частями.

Реакциии замещения протекают с участием простого и сложного вещества, в результате образуются новые простое и сложное вещества.

В результате реакций соединения из двух или нескольких веществ образуется одно новое.

По признаку выделения или поглащения теплоты реакции бывают следующих типов:

А) Экзотермические

Б) Эндотермические

Экзотермические – это реакции, протекающие с выделение теплоты.

Эндотермические – это реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды.

По признаку обратимости реакции бывают следующих типов:

А) Обратимые

Б) Необратимые

Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми.

Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимнопротивоположных направлениях.

По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ реакции бывают следующих типов:

А) Окислительно-восстановительные

Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов (при которых происходит переход электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим) называются окислительно-восстановительными.

2. По механизму протекания реакции делятся на ионные и радикальные.

Ионные реакции – взаимодействие между ионами в следствие гетеролитического разрыва химической связи (пара электронов целиком переходит к одному из «осколков»).

Ионные реакции бывают двух типов (по типу реагента):

А) электрофильные – в ходе реакции с электрофилом.

Электрофил – группировка, имеющая у некоторых атомов свободные орбитали, или центры с пониженной электронной плотностью (например: Н + , Cl - или AlCl 3)

Б) Нуклеофильные – в ходе взаимодействия с нуклеофилом

Нуклеофил – отрицательно заряженный ион или молекула с неподеленной электронной парой (не участвующей в настоящий момент в образовании химической связи).

(Примеры: F - , Cl - , RO - , I -).

Реальные химические процессы, лишь в редких случаях могут быть описаны простыми механизмами. Детально рассматривать хим процессы с молекулярной кинетической точки зрения показывает что большинство из них протекает по радикально-цепному мех-му, особенность цепных р-ций заключается в образовании на промежуточных этапах свободных радикалов (нестабильн фрагменты молекул или атомов с малым временем жизни, все имеют свободные связи.

По цепному механизму протекают процессы горения, взрыва, окисления, фотохимических реакцции, биохим р-ции в жив организмах.

Цепные р-ции имеют несколько стадий:

1) зарождение цепи - стадия цепных р-ции, в результ котор возникают свободн радикалы из валентнонасыщенных молекул.

2) продолжение цепи - стадия цеп р-ции, протекающ с сохраненением общего числа свободн стадий.

3) обрыв цепи - элементарн стадия цеп р-ции приводящ к исчезновению свободн связей.

Различают разветвленные и неразветвленные цепные реакции.

Одним из важнейших понятий цепи явл длина цепи - среднее кол-во элементарных стадий продолжения цепи после возникновения свободного радикала до момента его исчезновения.

Пример: синтез хлороводорода

1)м-ла CL 2 поглощает квант энергии и образ 2 радикала: CL 2 +hv=CL * +CL *

2) активн частица соединяется с м-олекулой Н 2 образуя хлороводор и активную частица Н 2: CL 1 +Н 2 =HCL+H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * и т.д.

6)H * +CL * =HCL- обрыв цепи.

Разветвленный механизм:

F * +H 2 =HF+H * и т.д.

У воды – сложнее – образуются радикалы ОН*, О* и радикал Н*.

Реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения: рентгеновские лучи, катодные лучи и так далее – называются радиохимическими.

В результате взаимодействия молекул с излучением, наблюдается распад молекул с образованием наиболее реакционноспособных частиц.

Такие реакции способствуют рекомбинации частиц, и образованию веществ с различным их сочетанием.

Пример – гидразин N 2 H 4 – компонент ракетного топлива. В последнее время делаются попытки получить гидразин из аммиака в результате воздействия на него γ-лучами:

NH 3 → NH 2 * + Н*

2NH 2 *→ N 2 H 4

Радиохимические реакции, например радиолиз воды имеют важное значение для жизнедеятельности организмов.

Литература:

1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С.Ахметов. – 3-е изд. – М.: Высшая школа, 2000. – 743с.

Коровин Н.В. Общая химия / Н.В.Коровин. – М.: Высшая школа, 2006. – 557 с.
Кузьменко Н.Е. Краткий курс химии / Н.Е. Кузьменко, В.В Еремин, В.А. Попков. – М.: Высшая школа, 2002. – 415 с.
Зайцев, О.С. Общая химия. Строение веществ и химические реакции / О.С.Зайцев. – М.: Химия, 1990.
Карапетьянц, М.Х. Строение вещества / М.Х. Карапетьянц, С.И.Дракин. – М.: Высшая школа, 1981.
Коттон Ф. Основы неорганической химии / Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон. – М.: Мир, 1981.
Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия / Я.А.Угай. – М.: Высшая школа, 1997.

Классификация реакций

3.1 Реакции замещения

В реакциях первого типа замещение обычно происходит у атома углерода, но замещенный атом может быть атомом водорода или каким-либо другим атомом или группой атомов. При электрофильном замещении чаще всего замещается атом водорода; примером служит классическое ароматическое замещение:

При нуклеофильном замещении чаще замещается не атом водорода, а другие атомы, например:

NC - + R−Br → NC−R +BR -

3.2 Реакции присоединения

Реакции присоединения также могут быть электрофильными, нуклеофильными или радикальными в зависимости от типа частиц, инициирующих процесс. Присоединение к обычным двойным углерод-углеродным связям индуцируется, как правило, электрофилом или радикалом. Например, присоединение HBr

может начинаться с атаки двойной связи протоном Н + или радикалом Br·.

3.3 Реакции элиминирования

3.4 Реакции перегруппировки

Детальное описание химической реакции по стадиям называется механизмом. С электронной точки зрения под механизмом химической реакции понимают способ разрыва ковалентных связей в молекулах и последовательность состояний, через которые проходят реагирующие вещества до превращения в продукты реакций.

4.1 Свободно-радикальные реакции

Свободно-радикальные реакции – это химические процессы, в которых принимают участие молекулы, имеющие неспаренные электроны. Определенные аспекты реакций свободных радикалов являются уникальными в сравнении с другими типами реакций. Основное различие состоит в том, что многие свободно-радикальные реакции являются цепными. Это означает существование механизма, благодаря которому множество молекул превращается в продукт с помощью повторяющегося процесса, инициируемого созданием одной реакционноспособной частицы. Типичный пример иллюстрируется с помощью следующего гипотетического механизма:

Стадию, на которой генерируется реакционный интермедиат, в данном случае А·, называется инициированием. Эта стадия протекает при высокой температуре, под действием УФ или пероксидов, в неполярных растворителях. В следующих четырех уравнениях данного примера повторяется последовательность двух реакций; они представляют фазу развития цепи. Цепные реакции характеризуются длиной цепи, которая соответствует числу стадий развития, приходящихся на одну стадию инициирования. Вторая стадия протекает одновременным синтезом соединения и образования нового радикала, который продолжает цепь превращений. Последней стадией является стадией обрыва цепи, которая включает любую реакцию, в которой разрушается один из реакционных интермедиатов, необходимых для развития цепи. Чем больше стадий обрыва цепи, тем меньшей становится длина цепи.

СН 4 + Сl 2 → CH 3 Cl + HCl

CH 3 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br

CH 3 -C≡CH + HCl → CH 3 -CH=CHCl

Соединение свободных радикалов между собой и обрыв цепи происходит в основном на стенках реактора.

4.2 Ионные реакции

По характеру реагента, действующего на молекулу, ионные реакции делятся на электрофильные и нуклеофильные . Реакции нуклеофильного замещения характерны для алкил- и арилгалогенидов,

CH 3 Cl + H 2 O → CH 3 OH + HCl

C 6 H 5 -Cl + H 2 O → C 6 H 5 -OH + HCl

C 2 H 5 OH + HCl → C 2 H 5 Cl + H 2 O

C 2 H 5 NH 2 + CH 3 Cl → CH 3 -NH-C 2 H 5 + HCl

электрофильного замещения – для алканов в присутствии катализаторов

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

и аренов.

C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

Реакции электрофильного присоединения характерны для алкенов

CH 3 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br

и алкинов,

CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl

нуклеофильного присоединения – для алкинов.

CH 3 -C≡CH + C 2 H 5 OH + NaOH → CH 3 -C(OC 2 H 5)=CH 2

Методические указания для самостоятельной работы студентов 1-го курса по биологической и биоорганической химии

(модуль 1)

Утверждено

Учёным советом университета

Харьков ХНМУ

Основные типы и механизмы реакций в органической химии: Метод. указ. для студентов 1-го курса / сост. А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал, В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева, С.А. Наконечная, Л.В. Лукьянова, Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ, 2014. – С. 32.

Составители: А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал, В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева, Л.В. Лукьянова, С.А. Наконечная, Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко

Тема I: классификация химических реакций.

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ АЛКАНОВ, АЛКЕНОВ, АРЕНОВ, СПИРТОВ, ФЕНОЛОВ, АМИНОВ, АЛЬДЕГИДОВ, КЕТОНОВ И КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

Мотивационная характеристика темы

Изучение данной темы является основой для понимания некоторых биохимических реакций, которые имеют место в процессе обмена веществ в организме (пероксидное окисление липидов, образование гидроксикислот из ненасыщенных в цикле Кребса и др.), а также для понимания механизма подобных реакций при синтезе врачебных препаратов и аналогов естественных соединений.

Учебная цель

Уметь прогнозировать способность основных классов органических соединений вступать в реакции гомолитического и гетеролитического взаимодействия согласно их электронному строению и электронным эффектам заместителей.

1. СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫЕ И ЕЛЕКТРОФИЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ (РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ УГЛЕВОДОРОДОВ)

Учебно-целевые вопросы

1. Уметь описать механизмы следующих реакций:

Радикального замещения - R S

Электрофильного присоединения - A E

Электрофильного замещения - S E

2. Уметь объяснить влияние заместителей на реакционную способность при електрофильних взаимодействиях исходя из электронных эффектов.

Исходный уровень

1. Строение атома углерода. Типы гибридизации его электронных орбиталей.

2. Строение, длина и энергия - и - связей.

3. Конформации циклогексана.

4. Сопряжение. Открытые и закрытые (ароматические) сопряженные системы.

5. Электронные эффекты заместителей.

6. Переходное состояние. Электронное строение карбкатиона. Интермедиаторы - и  - комплексы.

Практические нав ы ки

1. Научиться определять возможность разрыва ковалентной связи, тип и механизм реакции.

2. Уметь экспериментально выполнять реакции бромирования соединений с двойными связями и ароматических соединений.

Контрольные вопросы

1. Приведите механизм реакции гидрирования этилена.

2. Опишите механизм реакции гидратации пропеновой кислоты. Объясните роль кислотного катализа.

3. Напишите уравнение реакции нитрирования толуола (метилбензола). По какому механизму протекает эта реакция?

4. Объясните дезактивирующее и ориентирующее влияние нитрогруппы в молекуле нитробензола на примере реакции бромирования.

Учебные задачи и алгоритмы их решения

Задача №1. Опишите механизм реакции бромирования изобутана и циклопентана при облучении светом.

Алгоритм решения . Молекулы изобутана и циклопентана состоят из sp 3 гибридизованих атомов углерода. С - С связи в их молекулах неполярные, а связи С – Н малополярные. Эти связи достаточно легко подвергаются гомолитичному разрыву с образованием свободных радикалов - частичек, которые имеют неспаренные электроны. Таким образом, в молекулах этих веществ должна протекать реакция радикального замещения - R S -реакция или цепная.

Стадиями любой R S -реакции есть: инициирование, рост и обрыв цепи.

Инициирование - это процесс образования свободных радикалов при высокой температуре или облучении ультрафиолетом:

Рост цепи происходит за счет взаимодействия высокореакционноспособного свободного радикала  Br с малополярной С - Н связью в молекуле циклопентана с образованием нового циклопентил-радикала:

Циклопентил-радикал взаимодействует с новой молекулой брома, вызывая в ней гомолитический разрыв связи и образуя бромоциклопентан и новый радикал брома:

Свободный радикал брома атакует новую молекулу циклопентана. Таким образом, стадия роста цепи повторяется многократно, т.е., происходит цепная реакция. Обрыв цепи завершает цепную реакцию за счет соединения разных радикалов:

Поскольку все углеродные атомы в молекуле циклопентана равноценные, образуется только моноциклобромпентан.

В изобутане С - Н связи не являются равноценными. Они отличаются энергией гомолитической диссоциации и стабильностью образованных свободных радикалов. Известно, что энергия разрыва С - Н связи увеличивается от третичного до первичного углеродного атома. Стабильность же свободных радикалов в таком же порядке уменьшается. Именно поэтому в молекуле изобутана реакция бромирования протекает региоселективно - по третичному атому углерода:

Надо указать, что для более активного радикала хлора региоселективность не придерживается в полной мере. При хлорировании замещению могут подлежать атомы водорода при любых атомах углерода, но содержимое продукта замещения при третичном углероде будет наибольшим.

Задача №2. На примере олеиновой кислоты опишите механизм реакции пероксидного окисления липидов, которые имеет место при лучевой болезни в результате повреждения клеточных мембран. Какие вещества выполняют роль антиоксидантов в нашем организме?

Алгоритм решения. Примером радикальной реакции есть пероксидное окисления липидов, при котором действия радикалов подвергаются ненасыщенные жирные кислоты, которые входят в состав клеточных мембран. При радиоактивном облучении возможный распад на радикалы молекул воды. Гидроксильные радикалы атакуют молекулу ненасыщенной кислоты по метиленовой группе, соседней с двойной связью. При этом образуется радикал, стабилизированный за счет участия неспаренного электрона в сопряжении с электронами -связей. Далее органический радикал взаимодействует с бирадикальной молекулой кислорода с образованием нестабильных гидропероксидов, которые распадаются с образованием альдегидов, которые окисляются до кислот - конечные продукты реакции. Следствием пероксидного окиснення является разрушение клеточных мембран:

Ингибирующее действие витамина Е (токоферола) в организме обусловлено его способностью связывать свободные радикалы, которые образуются в клетках:

В феноксидном радикале, который образовался, неспаренный электрон находится в сопряжении с -электронным облаком ароматического кольца, которое приводит к его относительной стабильности.

Задача №3. Приведите механизм реакции бромирования этилена.

Алгоритм решения. Для соединений, которые состоят из атомов углерода в состоянии sp 2 - или sp-гибридизации, типичными есть реакции, которые проходят с разрывом -связей, т.е., реакции присоединения. Эти реакции могут протекать по радикальному или ионному механизму в зависимости от природы реагента, полярности растворителя, температуры, и т.п.. Ионные реакции протекают под действием или электрофильных реагентов, которые имеют сродство к электрону, или нуклеофильных, которые отдают свои электроны. Электрофильными реагентами могут быть катионы и соединения, которые имеют атомы с незаполненными электронными оболочками. Простейший электрофильный реагент - протон. Нуклеофильные реагенты - это анионы, или соединения с атомами, которые имеют неразделенные электронные пары.

Для алкенов - соединений, которые имеют sp 2 - или sp-гибридизованный атом углерода, типичными есть реакции электрофильного присоединения - А Е реакции. В полярных растворителях в отсутствии солнечного света реакция галогенирования протекает по ионному механизму с образованием карбкатионов:

Под действием π-связи в этилене молекула брома поляризуется с образованием неустойчивого π-комплекса, который превращается в карбкатион. В нем бром связан с углеродом π-связью. Процесс завершается взаимодействием аниона брома с этим карбкатионом к конечному продукту реакции – дибромоэтана.

Задача №4 . На примере реакции гидратации пропена обоснуйте правило Марковникова.

Алгоритм решения. Поскольку молекула воды - нуклеофильный реагент, то ее присоединение по двойной связи без катализатора невозможно. Роль катализаторов в таких реакциях выполняют кислоты. Образование карбкатионов происходит при присоединении протона кислоты при разрыве π-связи:

К карбкатиону, который образовался, присоединяется молекула воды за счет спаренных электронов атома кислорода. Образуется стойкое алкильное производное оксония, которое стабилизируется с выделением протона. Продукт реакции вторпропанол (пропан-2-ол).

В реакции гидратации протон присоединяется согласно правилу Марковникова - к более гидрогенизированному атому углерода, поскольку, вследствие положительного индуктивного эффекта СН 3 группы именно к этому атому смещена электронная плотность. Кроме того, образованный вследствие присоединения протона третичный карбкатион более стабильный, чем первичный (влияние двух алкильных групп).

Задача № 5. Обоснуйте возможность образования 1,3-дибромопропана при бромировании циклопропана.

Алгоритм решения. Молекулы, которые представляют собой трех или четырехчленные циклы (циклопропан и циклобутан) проявляют свойства ненасыщенных соединений, поскольку электронное состояние их "банановых" связей напоминает π-связь. Поэтому подобно ненасыщенным соединениям они вступают в реакции присоединения с разрывом цикла:

Задача № 6. Опишите реакцию взаимодействия бромоводорода с бутадиеном-1,3. В чем особенность этой реакции?

Алгоритм решения. При взаимодействии бромоводорода с бутадиеном-1,3 образуются продукты 1,2 присоединение (1) и 1,4 присоединение (2):

Образование продукта (2) обусловлено наличием в сопряженной системе общей для всей молекулы π-электронного облака, вследствие чего она вступает в реакцию электрофильного присоединения (А Е - реакцию) в виде целого блока:

Задача № 7. Опишите механизм реакции бромирования бензола.

Алгоритм решения. Для ароматических соединений, которые содержат замкнутую сопряженно - электронную систему и которые имеют вследствие этого значительную прочность, характерны реакции электрофильного замещения. Наличие повышенной электронной плотности по обе стороны кольца защищают его от атаки нуклеофильными реагентами и наоборот - облегчают возможность атаки катионами и другими электрофильными реагентами.

Взаимодействие бензола с галогенами происходит в присутствии катализаторов - AlCl 3 , FeCl 3 (так называемых кислот Льюиса). Они вызывают поляризацию молекулы галогена, после чего она атакует π-электроны бензольного кольца:

π-комплекс σ-комплекс

В начале образуется π- комплекс, который медленно переходит в σ - комплекс, в котором бром образует ковалентную связь с одним из атомов углерода за счет двух из шести электронов ароматического кольца. Четыре π-электроны, которые остались, равномерно распределенные между пятью атомами углеродного кольца; σ-комплекс является менее выгодной структурой вследствие нарушения ароматичности, которая восстанавливается путем выброса протона.

К реакциям электрофильного замещения в ароматических соединениях относятся также сульфирование и нитрирование. Роль нитрирующего агента выполняет нитроил-катион - NO 2+ , который образуется при взаимодействии концентрированной серной и азотной кислот (нитрирующая смесь); а роль сульфирующего агента - катион SO 3 H + , или оксид серы (ІV), если сульфирование ведут олеумом.

Алгоритм решения. Активность соединений в S E -реакциях зависит от величины электронной плотности в ароматическом ядре (зависимость прямая). В связи с этим реакционная способность веществ должна рассматриваться во взаимосвязи с электронными эффектами заместителей и гетероатомов.

Аминогруппа в анилине проявляет +М эффект, вследствие чего в бензольном ядре электронная плотность увеличивается и наибольшая ее концентрация наблюдается в орто- и пара-положениях. Протекание реакции облегчается.

Нитрогруппа в нитробензоле имеет -І и -М эффекты, поэтому дезактивирует бензольное кольцо и именно в орто- и парах-положениях. Поскольку взаимодействие электрофила происходит в месте высочайшей электронной плотности, то в этом случае образуются мета-изомеры. Таким образом, электродонорные заместители - это орто- и пара-ориентанты (ориентанты І рода и активаторы S E -реакций; электроноакцепторные заместители - мета-ориентанты (ориентанты ІІ рода) дезактиваторы S E -реакций).

В пятичленных гетероциклах (пиррол, фуран, тиофен), которые относятся к π-избыточным системам, S E -реакции протекают легче, чем в бензоле; при этом более реакционноспособным является α-положение.

Гетероциклические системы с пиридиновым атомом азота являются π -недостаточными, поэтому тяжелее вступают в реакции электрофильного замещения; при этом электрофил занимает β-положение по отношению к атому азота.

Приложение 1
МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Н.В.Свириденкова, НИТУ «МИСиС», Москва
ЗАЧЕМ ИЗУЧАТЬ МЕХАНИЗМЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ?
Что такое механизм химической реакции? Для ответа на этот вопрос рассмотрим уравнение реакции сжигания бутена:

C 4 H 8 + 6O 2 = 4CO 2 + 4H 2 O.

Если бы реакция в действительности протекала так, как это описано в уравнении, то одна молекула бутена должна была бы столкнуться одновременно сразу с шестью молекулами кислорода. Однако вряд ли это происходит: известно, что одновременное столкновение более чем трех частиц практически невероятно. Напрашивается вывод о том, что данная реакция, как и абсолютное большинство химических реакций, протекает в несколько последовательных стадий. Уравнение реакции показывает лишь исходные вещества и конечный результат всех превращений, и никак не объясняет, как образуются продукты из исходных веществ. Для того чтобы узнать, как именно протекает реакция, какие стадии она включает, какие промежуточные продукты образуются, необходимо рассмотреть механизм реакции.

Итак, механизм реакции – это детальное описание хода реакции по стадиям, которое показывает, в каком порядке и как разрываются химические связи в реагирующих молекулах и образуются новые связи и молекулы.

Рассмотрение механизма дает возможность объяснить, почему некоторые реакции сопровождаются образованием нескольких продуктов, а в других реакциях образуется только одно вещество. Знание механизма позволяет химикам предсказывать продукты химических реакций до того, как их провели на практике. Наконец, зная механизм реакции, можно управлять ходом реакции: создавать условия для увеличения ее скорости и повышения выхода нужного продукта.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ: ЭЛЕКТРОФИЛ, НУКЛЕОФИЛ, КАРБОКАТИОН
В органической химии реагенты традиционно делят на три типа: нуклеофильные , электрофильные и радикальные . С радикалами вы уже встречались ранее при изучении реакций галогенирования алканов. Рассмотрим более подробно другие типы реагентов.

Нуклеофильные реагенты или просто нуклеофилы (в переводе с греческого «любители ядер») – это частицы, обладающие избытком электронной плотности, чаще всего отрицательно заряженные или имеющие неподеленную электронную пару. Нуклеофилы атакуют молекулы с низкой электронной плотностью или положительно заряженные реагенты. Примерами нуклеофилов являются ионы ОН - , Br - , молекулы NH 3 .

Электрофильные реагенты или электрофилы (в переводе с греческого «любители электронов») – это частицы с недостатком электронной плотности. Часто электрофилы несут положительный заряд. Электрофилы атакуют молекулы с высокой электронной плотностью или отрицательно заряженные реагенты. Примеры электрофилов – Н + , NО 2 + .

В качестве электрофила может выступать также несущий частичный положительный заряд атом полярной молекулы. Примером может служить атом водорода в молекуле HBr, на котором возникает частичный положительный заряд из-за смещения общей электронной пары связи к атому брома, имеющему большее значение электроотрицательности H δ + → Br δ - .

Реакции, протекающие по ионному механизму, часто сопровождаются образованием карбокатионов. Карбокатионом называют заряженную частицу, имеющую свободную р -орбиталь на атоме углерода. Один из атомов углерода в карбокатионе несет на себе положительный заряд. Примерами карбокатионов могут служить частицы СН 3 -СН 2 + , CH 3 -CH + -CH 3 . Карбокатионы образуются на одной из стадий в реакциях присоединения к алкенам галогенов и галогеноводородов к алкенам, а также в реакциях замещения с участием ароматических углеводородов.
МЕХАНИЗМ ПРИСОЕДИНЕНИЯ К НЕПРЕДЕЛЬНЫМ УГЛЕВОДОРОДАМ

Присоединение галогенов, галогеноводородов, воды к непредельным углеводородам (алкенам, алкинам, диеновым углеводородам) протекает по ионному механизму , называемому электрофильным присоединением.

Рассмотрим этот механизм на примере реакции присоединения бромоводорода к молекуле этилена.

Несмотря на то, что реакция гидробромирования описывается очень простым равнением, ее механизм включает несколько стадий.

Стадия 1. На первой стадии молекула галогеноводорода образует с π -электронным облаком двойной связи неустойчивую систему – «π -комплекс» за счет частичной передачи π -электронной плотности на атом водорода, несущий частичный положительный заряд.

Стадия 2. Связь водород-галоген разрывается с образованием электрофильной частицы Н + , и нуклеофильной частицы Br - . Освободившийся электрофил Н + присоединяется к алкену за счет электронной пары двойной связи, образуя σ -комплекс – карбокатион.

Стадия 3. На этой стадии к положительно заряженному карбокатиону присоединяется отрицательно заряженный нуклеофил с образованием конечного продукта реакции.

ПОЧЕМУ ВЫПОЛНЯЕТСЯ ПРАВИЛО МАРКОВНИКОВА?
Предложенный механизм хорошо объясняет образование преимущественно одного из продуктов в случае присоединения галогеноводородов к несимметричным алкенам. Напомним, что присоединение галогеноводородов подчиняется правилу Марковникова, согласно которому водород присоединяется по месту двойной связи к наиболее гидрогенизированному атому углерода (т.е. связанному с наибольшим числом атомов водорода), а галоген к наименее гидрогенизированному. Например, при присоединении бромоводорода к пропену преимущественно образуется 2-бромпропан:

В реакциях электрофильного присоединения к несимметричным алкенам на второй стадии реакции может образоваться два карбокатиона. Далее реагировать с нуклеофилом, а значит, и определять продукт реакции будет более устойчивый из них.

Рассмотрим, какие карбокатионы образуются в случае пропена, и сравним их устойчивость. Присоединение протона Н + по месту двойной связи может приводить к образованию двух карбокатионов вторичного и первичного:

Образующиеся частицы очень нестабильны, поскольку положительно заряженный атом углерода в составе карбокатиона имеет неустойчивую электронную конфигурацию. Такие частицы стабилизируются при распределении (делокализации) заряда по возможно большему числу атомов. Электронодонорные алкильные группы, подающие электронную плотность на электронодефицитный атом углерода, способствуют и стабилизируют карбокатионы. Рассмотрим, как это происходит.

Из-за различия электроотрицательностей атомов углерода и водорода на атоме углерода группы -СН 3 появляется некоторый избыток электронной плотности, а на атоме водорода – некоторый ее дефицит С δ- Н 3 δ+ . Наличие такой группы рядом с атомом углерода, несущим положительный заряд, неизбежно вызывает смещение электронной плотности в сторону положительного заряда. Таким образом, метильная группа выступает как донор, отдавая часть своей электронной плотности. Про такую группу говорят, что она обладает положительным индуктивным эффектом (+ I -эффектом) . Чем большим количеством таких электронодонорных (+ I ) - заместителей окружен углерод, несущий положительный заряд, тем более устойчив соответствующий карбокатион. Таким образом, стабильность карбокатионов возрастает в ряду:

В случае пропена наиболее устойчивым является вторичный карбокатион, так как в нем положительно заряженный атом углерода карбокатиона стабилизирован двумя + I - эффектами соседних метильных групп. Преимущественно образуется и реагирует дальше именно он. Неустойчивый первичный карбокатион, по-видимому, существует очень короткое время, так что за время своей «жизни» не успевает присоединить нуклеофил и образовать продукт реакции.

При присоединении на последней стадии бромид-иона к вторичному карбокатиону и образуется 2-бромпропан:

ВСЕГДА ЛИ ВЫПОЛНЯЕТСЯ ПРАВИЛО МАРКОВНИКОВА?

Рассмотрение механизма реакции гидробромирования пропилена позволяет сформулировать общее правило электрофильного присоединения: «при взаимодействии несимметричных алкенов с электрофильными реагентами реакция протекает через образование наиболее стабильного карбокатиона». Это же правило позволяет объяснить образование в некоторых случаях продуктов присоединения вопреки правилу Марковникова. Так, присоединение галогеноводородов к трифторпропилену формально протекает против правила Марковникова:

Как может получиться такой продукт, ведь он образовался в результате присоединения Br - к первичному, а не ко вторичному карбокатиону? Противоречие легко устраняется при рассмотрении механизма реакции и сравнении стабильности промежуточно образующихся частиц:

Группа -СF 3 содержит три электроноакцепторных атома фтора, стягивающих электронную плотность от атома углерода. Поэтому на атоме углерода появляется существенный недостаток электронной плотности. Для компенсации возникающего частичного положительного заряда атом углерода стягивает на себя электронную плотность соседних углеродных атомов. Таким образом, группа -СF 3 является электроноакцепторной и проявляет отрицательный индуктивный эффект (- I ) . Более устойчивым в этом случае оказывается первичный карбокатион, так как дестабилизирующее влияние группы -CF 3 через две σ-связи ослабевает. А вторичный карбокатион, дестабилизированный соседней электроноакцепторной группой CF 3 , практически не образуется.

Аналогичное влияние на присоединение оказывает присутствие при двойной связи электроноакцепторных групп –NO 2 , -COOH, -COH и т.д. В этом случае также образуется продукт присоединения формально против правила Марковникова. Например, при присоединении хлороводорода к пропеновой (акриловой) кислоте образуется преимущественно 3-хлорпропановая кислота:

Таким образом, направление присоединения к непредельным углеводородам легко установить, анализируя строение углеводорода. Кратко это можно отразить следующей схемой:

Следует отметить, что правило Марковникова выполняется только в том случае, если реакция идет по ионному механизму. При проведении радикальных реакций правило Марковникова не выполняется. Так, присоединение бромоводорода HBr в присутствии пероксидов (H 2 O 2 или органических пероксидов) протекает против правила Марковникова:

Добавление пероксидов меняют механизм реакции, он становится радикальным. На этом примере видно, как важно знать механизм реакции и условия, в которых он реализуется. Тогда, выбрав соответствующие условия проведения реакции, можно направить ее по нужному в данном конкретном случае механизму, и получить именно те продукты, которые нужны.
МЕХАНИЗМ ЗАМЕЩЕНИЯ АТОМОВ ВОДОРОДА В АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДАХ
Наличие в молекуле бензола устойчивой сопряженной π -электронной системы делает реакции присоединения практически невозможными. Для бензола и его производных наиболее характерны реакции замещения атомов водорода, протекающие с сохранением ароматичности. При этом бензольное ядро, содержащее π- электроны, взаимодействует с электрофильными частицами. Такие реакции называют реакциями электрофильного замещения в ароматическом ряду . К ним относятся, например, галогенирование, нитрование и алкилирование бензола и его производных.

Все реакции электрофильного замещения в ароматических углеводородах протекают по одному и тому же ионному механизму независимо от характера реагента. Механизм реакций замещения включает несколько стадий: образование электрофильного агента Е + , образование π -комплекса, затем σ- комплекса и, наконец, распад σ- комплекса с образованием продукта замещения.

Электрофильная частица Е + образуется при взаимодействии реагента с катализатором, например, при действии на молекулу галогена хлоридом алюминия. Образующаяся частица Е + взаимодействует с ароматическим ядром, образуя сначала π -, а затем σ- комплекс:

При образовании σ- комплекса электрофильная частица Е + присоединяется к одному из атомов углерода бензольного кольца посредством σ- связи. В образовавшемся карбокатионе положительный заряд равномерно распределен (делокализован) между оставшимися пятью атомами углерода.

Реакция заканчивается отщеплением протона от σ- комплекса. При этом два электрона σ -связи С-Н возвращаются в цикл, и устойчивая шестиэлектронная ароматическая π -система регенирируется.

В молекуле бензола все шесть атомов углерода равноценны. Замещение атома водорода может происходить с равной вероятностью при любом из них. А как будет происходить замещение в случае гомологов бензола? Рассмотрим в качестве примера метилбензол (толуол).

Из экспериментальных данных известно, что электрофильное замещение в случае толуола всегда протекает с образованием двух продуктов. Так, нитрование толуола протекает с образованием п -нитротолуола и о -нитротолуола:

Аналогично протекают и другие реакции электрофильного замещения (бромирование, алкилирование). Также было установлено, что в случае толуола реакции замещения протекают быстрее и в более мягких условиях, чем в случае бензола.

Объяснить эти факты очень просто. Метильная группа является электронодонорной и вследствие этого дополнительно увеличивает электронную плотность бензольного кольца. Особенно сильное увеличение электронной плотности происходит в о- и п- положениях по отношению к группе -СН 3 , что облегчает присоединение именно в эти места положительно заряженной электрофильной частицы. Поэтому скорость реакции замещения в целом увеличивается, а заместитель направляется преимущественно в орто - и пара -положения.